Jak již bylo napsáno v 1. díle seriálu o motorech (http://automatizace.hw.cz/motory-jejich-rizeni-s-mcu-1-cast-typy-motoru), princip je založen na periodickém střídavém přepínání polarity napájecího stejnosměrného proudu pomocí komutátoru po každém otočení rotoru o 180°. Rychlost otáčení se řídí napětím, nejjednodušeji jeho spínáním (PWM modulace napájecího napětí), kdy průměrná hodnota napájecího napětí je dána vzájemným poměrem četností stavů zapnuto / vypnuto.

V závislosti na tom, zda se používá zpětná vazba či nikoli, lze algoritmus řízení rozdělit na:

• Pulsní PWM algoritmus v otevřené smyčce - pouze vytváří potřebnou úroveň napětí, které je úměrná rychlost otáčení a předpokládá se, že se motor točí. Tento způsob lze dobře použít při známé a konstantní mechanické zátěži. V opačném případě se riskuje zablokování motoru.
  


• Pulsní PWM algotimus v uzavřené smyčce a jeho variace - buď jen jednoduchý PWM algoritmus, který pouze dle zpětné vazby řídí / nastavuje periodu, což je vhodné jen pro pomalu se měnící zatížení hřídele, nebo složitější, ale přesné řízení generování pulsů. Zde se pak řídí střída i frekvence podle požadavku na rychlost otáčení a výsledků zpětné vazby. V případě uzavřené smyčky lze tak vcelku přesně řídit rozběh i brždění stejnosměrného elektromotoru.

U krokových motorů, které se vyskytují v bipolárním provedení (obsahují dva páry vodičů) nebo unipolárním provedení (5 či 6 jednotlivých vodičů) se podle složitosti řídícího algoritmu a použití motoru využívá jedno z následujících časování:

• 4 sekvence pro jeden plný krok - dvě vinutí jsou vždy napájená a provádí se "přetahování/strkání" pólů, což je vhodné pro nízké rychlosti, kde je potřebné přesně krokovat a udržet vysoký točivý moment
  


• 4 sekvence pro vytvoření vlny - pouze jedno vinutí v jednom časovém okamžiku je napájené, které k sobě táhne pól. Tento způsob vykazuje hladší běh, než předchozí řízení, ale nízký točivý moment, je problémový při vysokých rychlostech, nízká spotřeba
  


• 8 sekvencí pro půlkrok - nejdříve napájené jedno vinutí (1. půlkrok), následně obě dvě vinutí (2. půlkrok), pak opět jedno vinutí. A tak pořád dokola. Prakticky jde o spojení předchozích dvou principů. To vytváří klidnější chod při většině rychlostí, dobrý točivý moment.
  


• 8 nebo více sekvencí na jeden mikrokrok - umožňuje vytvářet proměnný výkon v čase nebo dávkování výkonu na čas. Tento způsob vykazuje velmi klidní a tichý chod, ale ztráci na točivém momentu

• Jednoduché sekvencování pulsů - pouze střídavé přivádění stejnosměrného napětí (pulsů / PWM signálů s konst. střídou a periodou) postupně na jednotlivá vinutí. Jednoduché na realizaci, ale je vhodné pouze pro malé BLDC motory a nízké rychlosti, ale běh je hlučný a generuje velké EMI rušení.
  


• Lichoběžníkové prostorové vektorové řízení (Trapezoid Space vector) - využívá pilovitého nebo trojúhelníkového průběhu k regulaci period PWM, což zhruba simuluje průběh sinusového průběhu (ve velkých krocích) na příslušném vinutí v čase s +/- 30° fázovým posunem. Výsledkem je slušný točivý moment pro BLDC motory při vyšších rychlostech, ale mizerný při nízkých (často motor jakoby cvaká) a generuje vysoké EMI.
  


• Sinusové prostorově vektorové řízení - generuje (simuluje) sinusový průběh napětí na dvou vinutích, což dává slušnou aproximaci sinusovky, dobrý točivý moment, čisté sekvencování při nízkých rychlostech, ale nefunguje při vyšších rychlostech. Vhodný i pro řízení 3fázových AC motorů. Vyžaduje však velmi přesnou zpětnou vazbu, aby to vůbec fungovalo.
  


• FOC řízení - přesně vypočítává potřebný statorový proud vzhledem k pozici rotoru, vyznačuje se výbornou charakteristikou, která se dobře adaptuje, a dá se použít pro BLDC i střídavé AC motory. Vyžaduje však provádění mnoha výpočtů, které ale nejsou moc časově náročné. Pracuje dobře při každé rychlosti a dovoluje přesně řídit / dávkovat točivý moment.

Vliv výběru MCU na kvalitu a bezpečnost řízení motoru

Kvalitní výběr MCU pro řízení motorů je klíčovým faktorem. K dispozici by měli mít blok multikanálových programovatelných PWM výstupů, nejlépe s možností generování (časování) vzájemně překrývajících se impulsů (obdélníků) pro potřeby snadnějšího řízení H-můstků, co nejrychlejší zápis do registrů, rychlý a minimálně 3kanálový A/D převodník pro realizaci řízení v uzavřené smyčce (se zpětnou vazbou) a nejlépe hardwarový kvadraturní enkodér (čítač) pro možnost přímého připojení inkrementálních snímačů otáček bez potřeby řešit celé snímání softwarově. To totiž bývá výrazně pomalejší, což při vysokých rychlostech otáčení motoru může docházet ke ztrácení impulsů ze snímače. To nejen způsobuje méně přesné řízení natočení, ale může vést k nekontrolovatelnému zvyšování otáček rotoru a tedy k vážným problémům. Nemluvě o významném zatížení jádra (procesoru). Také A/D převodník by měl mít dobu převodu výrazně kratší než je perioda motor řídících PWM signálů a dobrý přístup k procesoru, protože zpožděné získání a vyhodnocení výsledků zpětné vazby může nakonec způsobit více problémů a chyb než užitku.

MCU a obecně procesory nespecializované na řízení motorů, i když velmi výkonné, nejsou vhodné z pohledu příliš pomalé reakce a obsluhy na vygenerovaného přerušení od některé periferie. Zvýšený nadhled (sledování) běhu nebo zpracovávání řízení motoru na popředí pak významně "žere" čas a výkon procesoru na úkor třeba datové komunikace, zvláště při generování rychlého sledu událostí při rychlém otáčení motoru nebo přesném řízení.

Pro řízení motorů jsou velmi vhodná MCU na jádrech ARM Cortex-M3, které se proto dobře hodí díky velmi rychlé reakci na přerušení od zpětné vazby, což dovoluje rychlou prioritizaci současně vykonávaných úloh. To je v případě motorů velmi důležité, protože když se rotor otáčí, může každá zpožděná reakce způsobit tragédii. Rychlé řízení podporuje i rychlé zpracování a vykonávání matematických rovnic a funkcí, dosahované například násobením MUL v jednom hod. cyklu nebo dělení DIV ve 3 až 12 cyklech. Mimo počítání v plovoucí řádové čárce je také možné použít tu pevnou, kdy je to potřeba. Toho se dosahuje funkcemi USAT a SSAT.

Jde o řízení 3fázového bezkartáčového stejnosměrného motoru (BLDC) se 3 vinutími A, B a C typicky zapojené do hvězdy (viz obrázek), tj. se společným středem. Motor je buzen přiložením napájecího stejnosměrného napětí Vcc na jednu fázi (vinutí) a zem (GND) na vedlejší, což způsobí tok proudu skrz jedno vinutí motoru dovnitř a skrze další opět ven. Správným střídáním fází, tj. toku proudu přes vinutí, (sekvencováním) se rotor otáčí. BLDC motor je provedením synchronní motor a tak když je správně řízen, je rychlost otáčení motoru je přímo závislá na rychlosti sekvencování. Aby byla udržena synchronizace rychlosti a točivého momentu v celém rozsahu je nutné pohyb rotoru sledovat zpětnou vazbou (řízení v uzavřené smyčce). Použít lze Hallovy senzory nebo optoelektrické inkrementální snímače (enkodéry). Na následujícím obrázku je typické blokové schéma připojení pro regulaci BLDC motoru. Často se však používá jen jeden typ zpětné vazby. Dále bude uvažováno použití Hallovinkremých senzorů a inkrentálního snímače otáčení (enkodéru). Pro buzení 3 polovičních H-můstků se využívá 6 individuálních PWM signálů. Střída PWM udává stupeň řízení proudu vinutími a jejich sekvencování způsobuje a reguluje otáčení rotoru.